元计算行业应用：新材料研发中的应用

元计算行业应用：新材料研发中的应用国际先进复合材料技术目前的发展更倾向于利用虚拟的设计-制造-验证一体化环境，将真实

的设计、制造、材料、验证、应用乃至维修和全生命周期管理等诸多环节统一起来，从而最大限度地缩短新品研发周期，降低研发成本，提高产品的市场竞争力，在这个过程中，CAE技术已成为国防工业创新设计以及数字化设计、制造技术的核心之一。在复合材料领域包括复合材料设计、复合材料力学分析、复合材料模具优化、复合材料热压成型模拟、复合材料液体成型模拟、复合材料拉挤成型模拟、复合材料压成型模拟、复合材料焊接模拟、复合材料成型多物理场、复合材料性能模拟等领域都有广泛的应用。

材料加工处理

材料加工处理是一门既古老又年轻的行业，早在商周时期青铜器的制作和加工就涉及到材料的处理工艺，但真正将材料加工制备经验提升为科学技术只有近百年的历史。材料数值模拟是随着计算机的发展，将材料加工中的科学技术通过数值求解，揭示材料加工中的内在规律、总结材料加工的工艺方法也就是近几十年的时间。材料数值计算主要有两个大方向，一个是计算材料的属性，主要是材料的相图计算和物理或热物理参数计算。另一个是应用材料的属性模拟材料加工过程，例如铸造、焊接、锻造、热处理、复合材料、钣金成型等工艺，又称为材料数值模拟仿真技术。

目前材料加工制备数值模拟大部分采用通用软件，也有不少专业的数值模拟软件出现面向铸造、焊接、锻造、热处理等专门的工艺过程。但材料加工是一个多物理场耦合的复杂过程，目前的软件在处理多物理量耦合方面还存在扩展性和开放性不足的问题。这表现在增加一种新的物理场没有一个灵活的实施方案，同时对新的材料行为的认识不能自由地提供扩展接口，软件框架性的限制多。从下面的图示我们可以清晰地看到，材料加工过程的复杂性对材料计算模拟向多相多场开放式发展的巨大需求。

热处理各物理量耦合关系铸件凝固过程模拟中的多场耦合

成型工艺

复合材料的成型工艺包括热压成型、液体成型、缠绕/拉挤成型、模压成型等，对成型工艺进行分析可以完善成型工艺，提高成品率。

成型温度场控制

成型多物理场耦合

成型过程模拟分析

复合材料设计

复合材料设计选取合适的材料组成与组合方式，利用有限元对设计的组合进行筛选，遴选出最佳的材料配比与组合方式。

原料参数

组合建模

网格划分

复合材料力学

复合材料有不均匀和各向异性的特点，所以复合材料力学分析除了常规材料存在的力学问题，如结构在外力作用下的强度、刚度、稳定性和振动等问题外，还需要

层间应力

边界效应

纤维效应

基体开裂等

模具优化

模具是复合材料成型工艺中的一个重要因素。行业内素有“七分模具，三分工艺”之说。加强注塑模具分析和优化，制作优质注塑模具，既能节省生产成本，又能提高生产效率。

流道系统模拟

模具冷却温度场

模具精度优化方案

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